М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
с установленным положением нулевых точек эпюр моментов в стойках и ригелях рамы:
в стойках – в верхнем этаже 0,6Н от оси верхнего ригеля; в промежуточном этаже 0,5Н;
в нижнем этаже 0,4Н от верхнего ригеля; в ригелях – 0,5l. Изгибающий момент от ветровой
нагрузки определяют по формуле
M = QH/2, (12.43)
где Q – поперечная сила в одной стойке на уровне шарнира, определяемая отношением
суммарной ветровой нагрузки, действующей выше рассматриваемой оси шарниров, к коли-
честву вертикальных стоек в поперечнике расчетной схемы (рис. 12.58, е).
Расчетные усилия в элементах рамы получают суммированием изгибающих моментов,
нормальных и поперечных сил от вертикальных и горизонтальных нагрузок. Проверку рас-
четных сечений элементов по несущей способности определяют по СП 16.13330.2011 [49].
Многоэтажные здания ствольно-подвесной системы (рис. 12.23) имеют ряд конструктив-
ных особенностей, отмеченных в подразд. 12.2. Расчетные схемы их приведены на рис. 12.59.
а б вг д
Рис. 12.59. Конструктивные схемы одноствольных зданий с подвешенными этажами:
а – висячая; б – висячая групповая; в – д – висячие с различной геометрией стержневой подкосной системы; 1 –
ствол (башня); 2 – несущий балочный ростверк; 3 – подвески; 4 – балочная клетка; 5 – фундамент; 6 – несущая
подкосная система
Междуэтажные перекрытия, выполненные по типу балочных клеток или перекрестных
ферм, подвешивают к поддерживающей конструкции с постоянным или переменным шагом
подвесок. Максимальное расстояние между подвесками, как правило, не превышает 12 м.
В статическом отношении здание с подвешенными этажами представляет собой кон-
сольный стержень, заделанный в фундамент и загруженный постоянными и временными
вертикальными и горизонтальными (ветровыми) нагрузками. Все нагрузки воспринимаются
стволом здания, в котором вертикальные продольные силы Nс определяют как сумму нагру-
зок от собственной массы конструкции здания и полезной нагрузки на этажах. Изгибающий
момент на уровне верха фундамента определяется от горизонтальных нагрузок (ветровых
или сейсмических).
Особое внимание уделяется проектированию фундаментов, т. к. они воспринимают ог-
ромный изгибающий момент от горизонтальных сил и передают его на основание. В качест-
ве фундаментов применяют глубокие набивные сваи с уширенной пятой, сплошные моно-
литные железобетонные плиты и др.
300
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
Конструкции перекрытий представляют собой горизонтальные жесткие диски. Их кон-
струируют по типу балочных клеток с расположением вспомогательных балок с главными
в одном уровне. Вертикальные подвески работают на центральное растяжение от сил Ft, зна-
чение которых уменьшается в направлении сверху вниз.
Для повышения эффективности конструктивной схемы с подвешенными этажами часто
подвески 3 (рис. 12.59) предварительно напрягают. Особенности расчета предварительно на-
пряженных стальных вантовых каркасов высотных зданий можно найти в разделе III.5 [32].
Оболочковую конструктивную форму высотных зданий можно рассматривать прибли-
женно как сплошную тонкостенную пространственную систему. Расчет ее производится по
безмоментной теории. Определяются усилия в элементарном участке этой оболочки от
внешних нагрузок. Затем осуществляется обратный переход к дискретной системе и опреде-
лению усилий в элементах сетки из условий статического равновесия.
Каркас даже невысокого многоэтажного здания представляет собой многократно ста-
тически неопределимую систему, воспринимающую комплекс сложных вариантов загруже-
ний. Точный расчет многоэтажных и высотных зданий можно выполнить только на ЭВМ
с использованием сертифицированных стандартных программ. Таких программных ком-
плексов в настоящее время разработано великое множество, и они широко используются
в инженерной практике.
Процедура расчета многоэтажного каркасного здания МКЭ с помощью ПЭВМ такая
же, как и у одноэтажного (см. подразд. 6.3, 6.4). Значительно усложняются только конструк-
тивная схема и особенности загружения (подразд. 12.4 и 12.5). Но регулярность конструк-
тивной схемы высотного здания упрощает процесс формирования матриц, а вычислительный
процесс по упрощенной расчетной модели вручную часто является даже более трудоемким.
В настоящее время в проектирование и строительство активно внедряются 3D технологии.
Разработаны и совершенствуются комплекты программного обеспечения для автоматизирован-
ного компьютерного проектирования по системе трехмерного моделирования каркасных зданий.
В процессе проектирования на базе 3D технологий выполняются чертежи общего вида,
схемы расположения элементов с использованием базы данных элементов, узлов, типовых
конструкций. Автоматически создаются спецификации металлопроката и изделий, унифика-
ция и повторное использование схем, элементов, узлов. Библиотеки проектирования метал-
локонструкций КМ и 3Д позволяют проектировщику выполнять деталировочные чертежи.
Трехмерные технологии только начинают внедряться в инженерную практику. И здесь
еще много проблем, связанных с глубиной и степенью детализации 3D моделей на различ-
ных этапах проектирования. Высотные здания часто уникальны, и требуется дополнительная
информация, учитывающая особенности объектов, не имеющих аналогов в массовом строи-
тельстве. Существует и проблема в обучении специалистов владеть САПР 3D.
Общие принципы и особенности расчета высотных зданий сформулированы в МГСН
4.19.05 [16]. Они сводятся к следующему.
Расчет несущей конструктивной системы здания следует выполнять в два этапа:
– на начальном этапе допускается приближенный расчет с использованием упрощен-
ных стержневых моделей для предварительного назначения геометрических характеристик
и несущих конструкций (первая расчетная схема);
– окончательный расчет производится с использованием метода конечных элементов
для уточнения и корректировки первоначально заданных характеристик несущих конструк-
ций (вторая расчетная схема).
При расчете здания методом конечных элементов его конструктивную систему следует
рассматривать как пространственную, состоящую из стен, ядер жесткости, колонн и пере-
крытий, которые представляются в виде совокупности оболочечных (плоских) и стержневых
301
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
конечных элементов, соединенных между собой в узловых точках. Расчет производится
с учетом взаимодействия конструкций надземной, подземной частей здания и основания.
Расчетом определяются горизонтальное перемещение верха здания (с учетом крена фунда-
мента), ускорения колебаний перекрытий верхних этажей от ветровой нагрузки, а также про-
гибы перекрытий и усилия в несущих элементах конструктивной системы.
Усилия в конечных элементах определяют от действия полных расчетных вертикаль-
ных и горизонтальных нагрузок по общим правилам расчета МКЭ при упругих жесткостных
характеристиках конечных элементов.
Расчет несущей конструктивной системы, включающей надземные, подземные конст-
рукции и фундамент, следует производить для последовательных стадий возведения и ста-
дии эксплуатации, принимая расчетные схемы, отвечающие рассматриваемым стадиями.
В процессе строительства и эксплуатации высотных зданий могут возникнуть чрезвы-
чайные ситуации: взрывы, пожары, карстовые провалы, ДТП, дефекты изготовления и про-
ектирования, некомпетентная перепланировка и т. д. Они способны привести к локальным
повреждениям и прогрессирующему обрушению здания. Расчет и проектирование при воз-
никновении таких ситуаций следует выполнять согласно рекомендациям [35]. В них содер-
жатся методика расчета, конструктивные требования и примеры расчета зданий на устойчи-
вость против прогрессирующего разрушения.
Расчет на прогрессирующее разрушение должен обеспечивать прочность и устойчи-
вость конструктивной системы в целом при выходе из строя одного какого-либо элемента
(колонны, участка стены или перекрытия) и возможном последующем разрушении близле-
жащих элементов.
Проверка устойчивости здания против прогрессирующего обрушения включает расчет
несущих конструкций в местах локальных разрушений по предельным состояниям первой
группы с расчетными сопротивлениями материалов (бетона и арматуры), равными норма-
тивным значениям. При этом величина деформаций и ширина раскрытия трещин в конст-
рукциях не регламентируются.
Постоянные и временные длительные нагрузки при расчете устойчивости здания против
прогрессирующего обрушения следует принимать по табл. 5.1 [16]. При этом коэффициенты со-
четаний нагрузок и коэффициенты надежности по нагрузкам принимаются равными единице.
Для расчета зданий против прогрессирующего обрушения следует использовать про-
странственную расчетную модель, которая может учитывать элементы, являющиеся при
обычных эксплуатационных условиях ненесущими, а при наличии локальных воздействий
активно участвуют в перераспределении нагрузки.
12.6.4. Расчетные сочетания усилий
Завершающим этапом статического расчета является составление расчетных сочетаний
усилий (РСУ). Основные принципы анализа РСУ изложены в подразд. 6.2. Подобным обра-
зом выявляются РСУ и для многоэтажных каркасов. Логические связи между загружениями
отмечены в подразд. 12.5.
При анализе РСУ для высотных и многоэтажных зданий чаще всего необходимо учи-
тывать как основное, так и особое сочетание нагрузок согласно требованиям [40 и 46] либо
их актуализированным редакциям [48, 49].
При расчете на особые сочетания нагрузок значения расчетных нагрузок следует ум-
ножать на коэффициенты сочетаний, принимаемые:
– для постоянных нагрузок = 0,9;
– для временных длительных = 0,8;
302
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
– для кратковременных на перекрытия и покрытия = 0,5.
При этом климатические температурные воздействия, ветровые нагрузки и динамиче-
ские воздействия от оборудования и транспорта не учитываются.
Нагрузочный эффект (усилия, перемещения) следует принимать с учетом коэффициен-
та надежности по ответственности n. Согласно ГОСТ Р 54257–2012 [7] минимальные значе-
ния n приведены в табл. 12.2.
Таблица 12.2
Минимальные значения коэффициента надежности по ответственности
Уровень ответственности Минимальное значение n
1а 1,2
1б 1,1
2 1,0
3 0,8
Уровень 1а – особо высокий уровень ответственности. К нему относятся особо опасные,
технически сложные и уникальные объекты, перечисленные в ст. 48.1 Градостроительного ко-
декса РФ (здания высотой более 100 м, пролеты более 100 м, наличие консолей более 20 м и др.
К нему же относятся объекты с высоким уровнем ответственности, при проектировании
и строительстве которых используются принципиально новые конструктивные решения,
не прошедшие проверку в практике строительства. Заметим, что ТСН 31-332–2006 [55] рекомен-
дует принимать n = 1,2 при высоте зданий от 125 до 150 м, и n = 1,15 при высоте от 75 до 100 м.
Уровень 1б – высокий уровень ответственности. К нему относятся жилье, обществен-
ные и административные здания высотой более 75 м. Многоэтажные здания высотой менее
75 м и другие объекты массового строительства относятся к нормальному уровню ответст-
венности – уровню 2.
В табл. 12.2 отмечены минимальные значения n. Согласно п. 9.2 [7] уровень ответственно-
сти, а также численные значения n устанавливаются генпроектировщиком по согласованию
с заказчиком в задании на проектирование или в специальных технических условиях, но не ниже
представленных в табл. 12.2. Для разных конструктивных элементов допускается устанавливать
разные уровни ответственности и назначать различные значения коэффициентов n.
На коэффициент n следует умножать усилия при расчете на основные сочетания нагру-
зок по 1-й группе предельных состояний (по несущей способности). При расчете по
2-й группе предельных состояний допускается принимать n = 1.
12.7. Особенности конструирования
Принимаемые конструктивные решения должны удовлетворять архитектурным, конст-
руктивным, технологическим и экономическим критериям. Конструирование несущих эле-
ментов следует производить с учетом рекомендаций [16, 24, 51, 55], а для сейсмических ус-
ловий строительства с учетом СП 31-114–2004.
Проектирование конструкций многоэтажного здания выполняется по следующей схеме:
– на основании предварительного технико-экономического анализа вариантов конст-
руктивного решения в соответствии с заданием на проектирование выбирается конструктив-
ная схема здания;
СП 31-114–2004. Правила проектирования жилых и общественных зданий для строительства в сейсмических районах. М., 2005.
303
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
– назначаются материалы несущих и ограждающих элементов;
– выполняется компоновка конструктивной схемы здания, сбор нагрузок, и устанавли-
вается расчетная схема;
– производится статический расчет на все нагрузки, определяются РСУ и усилия в эле-
ментах, а также перемещения;
– определяется деформативность здания по 2-й группе предельных состояний;
– выполняется конструктивный расчет несущих элементов по 1-й группе предельных
состояний;
– производится сопоставление жесткостей законструированных и предварительно за-
данных элементов, и при необходимости расчет повторяется;
– выполняется расчет и конструирование узлов сопряжения и опирания.
Марка стали выбирается с учетом требований [47, 49, 51] и соответствующих государст-
венных стандартов. При этом следует учитывать условия изготовления и монтажа, возмож-
ность качественной обработки толстого проката, а также понижение механических свойств
в прокате больших толщин. При конструировании жестких рамных узлов, фланцевых соеди-
нений, составных сечений из толстолистовой стали следует считаться с ухудшением свойств
проката при растяжении в направлении толщины листа, а также возможным расслоением, тре-
буя более полного контроля при изготовлении. Расчетное сопротивление такого проката может
снижаться до 50 %.
В несущих конструкциях – колоннах, стенах, ядрах жесткости и перекрытиях следует
применять бетон класса не менее В30 [55]. Для уменьшения размеров поперечного сечения
колонн и количества арматуры рекомендуется применять высокопрочный бетон класса до В60.
Для несущих железобетонных конструкций рекомендуется применять стержневую арма-
туру класса А-III (ГОСТ 5781), А400С и А500С, а также жесткую арматуру. В качестве жест-
кой арматуры следует применять прокатные стальные профили (двутавры, в том числе широ-
кополочные, швеллеры, уголки, трубы), сварные стальные элементы коробчатого сечения.
Железобетонные конструкции с жесткой арматурой применяются, в основном, для ко-
лонн в тех случаях, когда их несущая способность при гибкой арматуре и ограниченной
площади сечения оказывается недостаточной, а также в отдельных случаях для стен, ядер
жесткости и плит перекрытий.
При этом необходимо помнить, что эффективность применения монолитного железо-
бетона в значительной мере зависит от конструкции опалубки, стоимость которой составляет
примерно 30 % от стоимости конструкции.
Наружные стены высотных зданий могут быть несущими или ненесущими. Они долж-
ны обеспечивать не только необходимую теплозащиту здания, но и долговечность теплоизо-
ляции, равную долговечности ограждающей конструкции. В несущих наружных стенах дол-
жен применяться только негорючий плитный утеплитель группы НГ в соответствии с проти-
вопожарными требованиями. В ненесущих стенах в качестве теплоизоляции следует приме-
нять материалы групп горючести НГ или Г1.
В перекрытиях рекомендуется использовать ребристые или плоские плиты с ригелями,
опирающимися на колонны. Опирание плит по четырем сторонам позволяет экономить ар-
матуру, т. к. в работу включается не только продольная, но и поперечная арматура.
Компоновка конструктивной системы, сбор нагрузок, расчетная схема и статический
расчет выполняются с учетом рекомендации подразд. 12.4–12.6 с использованием сертифи-
цированных программных комплексов. Для высотных зданий согласно требованиям [7, 16,
56] необходимо производить статический расчет по двум независимым программам.
Расчет несущей конструктивной системы высотного здания для определения усилий
и деформаций в несущих элементах, общей деформации системы и проверки ее общей ус-
тойчивости следует производить в два этапа:
304
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
– для предварительного назначения геометрических характеристик и выбора материала
несущих конструкций – с использованием упрощенных, в т. ч. стержневых моделей;
– для окончательного назначения всех характеристик несущих конструкций – с исполь-
зованием сертифицированных программных комплексов, основанных на методе конечных
элементов.
Прежде чем перейти к конструктивному расчету, целесообразно определить деформа-
тивность здания по второй группе предельных состояний на воздействие нормативных на-
грузок. Если пространственная жесткость здания обеспечена, а перемещения и деформации
не превышают допустимых значений, производится расчет конструкций по первой группе
предельных состояний.
Предельные горизонтальные перемещения верха высотных зданий fult с учетом крена
фундаментов при расчете по недеформированной схеме в зависимости от высоты здания h
не должны превышать:
– до 150 м (включительно) – 1/500;
– при h = 400 м – 1/1000.
При промежуточных высотах значения fult определять по интерполяции.
При расчете по деформированной схеме значения предельных горизонтальных пере-
мещений верха здания должны ограничиваться исходя из условий эксплуатации технологи-
ческого оборудования.
Для обеспечения комфортного пребывания людей в высотных зданиях ускорение коле-
баний перекрытий пяти верхних этажей при действии ветровой нагрузки не должно превы-
шать 0,08 м/с2.
В случае, если это требование не выполняется, необходимо предусматривать меры по
снижению уровня колебаний здания (см. подразд. 12.1).
Повышение пространственной жесткости зданий может достигаться применением:
– развитых в плане и симметрично расположенных диафрагм и ядер жесткости;
– конструктивных систем с несущими наружными стенами по всему контуру здания;
– конструктивных систем с регулярным расположением несущих конструкций в плане
и по высоте здания и равномерным распределением вертикальных нагрузок;
– жестких дисков перекрытий, объединяющих вертикальные несущие конструкции
и выполняющих функции горизонтальных диафрагм жесткости при действии ветровых или
сейсмических нагрузок;
– жестких узловых сопряжений между несущими конструкциями;
– горизонтальных балочных или раскосных поясов жесткости в уровне технических
этажей (особенно верхнего), обеспечивающих совместную работу на изгиб всех вертикаль-
ных несущих конструкций здания.
При расчете устойчивости здания на опрокидывание и сдвиг следует рассматривать его
конструктивную систему как жесткое недеформируемое тело.
Конструктивный расчет элементов металлических конструкций по первой группе
предельных состояний производится по СНиП II-23–81* или его актуализированной ре-
дакции [49] на прочность, устойчивость, а в необходимых случаях на выносливость. Ме-
тодика расчета элементов и узлов изложена в разд. 7–10, а также в учебной и справочной
литературе [17, 18, 53]. Усилия для конструктивного расчета принимаются по РСУ (см.
подразд. 12.6).
Краткое описание и характеристика элементов многоэтажных зданий приведены в под-
разд. 12.3. Здесь представим конструктивные решения узлов и деталей этих металлоконст-
рукций, а также их сопряжений. Основными несущими элементами каркасов являются ко-
лонны и балки. Типы сечений стальных колонн показаны на рис. 12.24.
305
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
Базы колонн многоэтажных и высотных зданий аналогичны базам колонн одноэтажных
каркасов (см. рис. 7.18–7.22). Основы их расчета и конструирования изложены в подразд. 7.4
и примерах 7.5.5. В каркасах многоэтажных зданий, как правило, применяют базы для без-
выверочного монтажа колонн (рис. 12.60).
аб
Рис. 12.60. Базы колонн с конструктивными анкерными болтами:
а – б – схемы; 1 – плоскость фрезерования, строжки; 2 – установочная риска; 3 – установочный болт; 4 – ан-
керный болт; 5 – шайба с отверстием на 2 мм больше диаметра болта; 6 – подливка
Плита базы изготовляется как отдельный отправочный элемент с фрезерованной или
строганной верхней плоскостью, заранее устанавливается на фундамент по разбивочным
осям, выверяется с помощью установочных болтов по отметке и уклонам, подливается це-
ментным раствором или бетоном на мелком гравии. Колонна с фрезерованным торцом уста-
навливается в проектное положение по рискам и закрепляется анкерными болтами.
Если изгибающие моменты относительно малы, то анкерные болты не работают или
испытывают небольшие растягивающие усилия и ставятся по конструктивным соображени-
ям (рис. 12.60), а их прикрепление к колонне осуществляется через ребро жесткости или ко-
ротыши из уголков. В некоторых случаях анкерные болты закрепляют непосредственно за
плиту, а колонна соединяется с плитой монтажной сваркой.
Если требуемые по расчету толщина и ширина плиты больше размеров поставляемых
слябов, переходят к ступенчатой плите, что требует обработки двух дополнительных плоско-
стей и обварки верхнего сляба по контуру. Чтобы сократить размеры плиты в плане и, следо-
вательно, уменьшить ее консольные свесы и требуемую толщину, целесообразно применять
для подливки плиты растворы и бетоны высоких марок (В25 – В40) и предусматривать при
необходимости косвенное армирование верхнего слоя фундамента сетками.
При значительных изгибающих моментах возможны решения базы по рис. 12.61. Если
при относительно небольшом плече (схемы а, б) анкерные болты имеют приемлемый диаметр
(не более 42 мм), то их размещают в пределах плиты, предусматривая в ней отверстия на
20–25 мм больше диаметра болтов. В противном случае анкерные болты целесообразно выне-
сти за пределы плиты с помощью траверс (схема в), которые одновременно улучшают работу
306
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
плиты на изгиб. При опирании колонны на плиту через фланец (схема б) его толщину следует
принимать не менее 40 мм, тогда степень защемления базы колонны будет не ниже, чем в базе
с траверсами, где возможен некоторый ее поворот от момента вследствие изгиба анкерных
плиток и деформаций растяжения более длинных анкерных болтов. Хорошая затяжка анкер-
ных болтов позволяет исключить случайный сдвиг колонны по плите.
а бв
Рис. 12.61. Базы колонн с расчетными анкерными болтами:
1 – плоскость фрезерования, строжки; 2 – установочная риска; 3 – установочный болт; 4 – анкерный болт; 5 –
шайба с отверстием на 2 мм больше диаметра болта; 6 – подливка; 7 – анкерная плитка
Очертание плиты в плане зависит от соотношения продольной силы и изгибающих мо-
ментов. Чаще всего плиту делают квадратной и только при решающем влиянии одного из
моментов плиту развивают в плоскости его действия, используя при этом и траверсы.
Выбор конструкции монтажного стыка колонны зависит от соотношения между наи-
большим эксцентриситетом e = M/N и ядровым расстоянием сечения .
В связевых, рамно-связевых, а иногда и в рамных системах при учете нагрузок, дейст-
вующих на стадии эксплуатации, эксцентриситеты относительно невелики (е ), растяги-
вающие напряжения в сечении стыка не возникают, и стык выполняется как для центрально-
сжатой колонны (рис. 12.62). Фрезерование торцов колонн позволяет передать сжимающие
напряжения через плотный контакт и обеспечивает высокую точность изготовления по длине
колонны и перпендикулярности торцов к ее оси. Для закрепления колонны в проектном по-
ложении и восприятия монтажных нагрузок, в том числе от давления ветра на смонтирован-
ные конструкции, используются постоянные стяжные болты нормальной точности, которые
должны быть хорошо затянуты с постановкой контргаек или пружинных шайб.
Стыки колонн рамных систем при относительно больших эксцентриситетах (е > )
испытывают растягивающие напряжения и могут быть решены болтовыми или сварными.
Болтовые стыки с накладками на высокопрочных или обычных болтах нормальной точно-
сти (рис. 12.63, а) конструктивно удобны для открытых сечений колонн и трудновыполни-
мы для замкнутых сечений. Фланцевые стыки (рис. 12.63, б – г) более универсальны, но
выступы фланцев должны быть по возможности скрыты в стене, облицовке колонны или
конструкции пола.
307
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
аб
Рис. 12.62. Сжатый стык колонны:
а – сварной двутавр; б – коробчатое сечение; 1 – плоскость фрезерования торцов; 2 – стяжной болт; 3 – устано-
вочная риска; 4 – вариант коротыша
а б вг
Рис. 12.63. Болтовые стыки колонн при больших эксцентриситетах:
1 – плоскость фрезерования; 2 – накладка; 3 – фланец; 4 – установочная риска
В первом приближении для оценки растягивающих усилий z можно предположить рав-
номерный характер распределения сжимающих напряжений в сжатой зоне х (рис. 12.63, а, б)
и ограничить их величину расчетным сопротивлением стали R = Ry. Более точный расчет
следует выполнять по методике [37] как фланцевое соединение на высокопрочных болтах.
Чтобы увеличить жесткость фланца, следует размещать болты на минимально возмож-
ном расстоянии b0 и принимать толщину фланца не менее b0/6.
Сварные стыки (рис. 12.64) следует применять тогда, когда болтовой стык становится
конструктивно неприемлемым из-за чрезмерного числа болтов. Болты и коротыши из угол-
ков в сварном стыке служат только для временного закрепления и после выполнения сварки
могут быть удалены.
308
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
ав
б
Рис. 12.64. Сварные стыки колонн при больших эксцентриситетах:
а – в – варианты узлов; 1 – плоскость фрезерования
При изменении сечения колонны в месте стыка решение несколько усложняется (рис.
12.65), но принципиальная работа сопряжения отправочных элементов остается прежней.
Устройство оголовков колонн многоэтажных зданий аналогично их конструкциям для
одноэтажных зданий (см. п. 7.3.1 и рис. 7.11).
а бв
Рис. 12.65. Стыки колонн в месте изменения сечения:
а – в – варианты узлов
Узлы сопряжения балок с колоннами приведены на рис. 12.66–12.69. Связевым систе-
мам каркасов соответствует шарнирное прикрепление, рамным – жесткое, рамно-связевым –
гибкое (полужесткое) или сочетание прикреплений различных типов. Свободное прикрепле-
ние на болтах нормальной прочности (рис. 12.66, а, б) проще в изготовлении и монтаже,
обеспечивает достаточную податливость узла и свободный поворот балки относительно ко-
лонны. Однако в этом случае возникает нечеткость передачи усилия. Прикрепление с помо-
щью опорного ребра (рис. 12.66, в) четко передает опорную реакцию на столик колонны. Но
оно сложнее в монтаже, и возникают проблемы с установкой балки между полками колонн.
309
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
аб в
NN N
Рис. 12.66. Свободное прикрепление балок к колоннам:
1 – вертикальное ребро; 2 – монтажный столик; 3 – начало закругления в переходе от стенки к полке; 4 – про-
кладка; 5 – обработать (строгать, фрезеровать)
При шарнирном сопряжении (рис. 12.66) усилиями для расчета прикрепления являются
поперечная сила Q и продольная сила N. От эксцентриситета е возникают лишь небольшие
моменты, влияние которых учитывают при расчете болтов повышающим коэффициентом
1,2–1,3 к силе Q.
В узле а вертикальное ребро и швы, прикрепляющие его к колонне, следует рассчиты-
вать на силу Q, момент Qe, силу N.
В узле б условия загружения столика из уголка зависят от его деформаций и являются
довольно неопределенными. Для приближенной оценки эксцентриситета е силы Q относи-
тельно сечения горизонтальной полки, в котором начинается ее закругление (размер k1 от
обушка), можно принять распределение контактных напряжений по треугольной эпюре, то-
гда e a0 2 c0 k1, где размер с0 должен быть не менее Q
3 h1 .
ст R
Если e 9 Q , то толщина полки определяется из условия ее сопротивления изгибу
8 lуг Ry
6Qe ,
lуг Ry
а в противном случае – из условия сопротивления срезу
3Q ,
2lуг Rs
где lуг – длина уголка.
При опорных давлениях более 120–150 кН используются варианты столика с подкреп-
лением вертикальным ребром, для которых также принимается треугольная эпюра контакт-
ных напряжений. Прикрепление столика к колонне при любом варианте следует проверить
на силу Q и момент Q b 1 c0 . Болты, соединяющие стенку балки с колонной через про-
3
межуточный уголок или ребро, рассчитывают на продольную силу.
На рис. 12.67 показаны примеры жесткого прикрепления балок к колоннам двутавро-
вого сечения на болтах: а – г – к полке колонны; д, е – к стенке колонны; ж – с выносным
310
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
стыком. В прикреплении с выносным стыком ответственные швы соединения ригеля с ко-
лонной выполняются на заводе. Усилия в стыке становятся намного меньше действующих
у грани колонны. Однако в этом случае конструктивное решение усложняется, а также сни-
жается степень загрузки транспорта при перевозке колонн. Прикрепления г, ж можно ис-
пользовать для колонн с любым типом сечения, прикрепления а – в – для колонн закрытого
(коробчатого) сечения при условии, что отверстия для монтажных болтов будут сделаны
в элементах стержня до его сборки и около каждого отверстия будет приварена гайка со сто-
роны внутренней полости колонны.
а б вг
д еж
Рис. 12.67. Жесткое прикрепление балки к колонне на болтах:
1 – прокладка; 2 – заводской сварной шов; 3 – подкос из листа (после монтажа может быть срезан)
Основные усилия для расчета жесткого прикрепления – поперечная сила Q и изгибаю-
щий момент М в опорном сечении ригеля рамной системы. Продольные силы N в ригелях
невелики и обычно не учитываются.
Чтобы исключить относительные сдвиги по плоскостям прилегания деталей и обуслов-
ленный этим взаимный поворот ригеля и колонны, в прикреплении применяют высокопроч-
ные болты, кроме соединений фланцев с колонной, в которых для восприятия растягиваю-
щих усилий можно использовать и невысокопрочные болты нормальной точности с закреп-
лением гаек от развинчивания.
Для передачи поперечной силы с балки на колонну служат столики, вертикальные ребра,
для передачи изгибающего момента – фланцы, горизонтальные накладки (рыбки), отрезки ши-
рокополочных тавров, стенка которых служит горизонтальной накладкой, а полка – фланцем.
В прикреплении а сварные швы столика рассчитывают на силу Q общепринятым прие-
мом, растягивающее усилие в наиболее напряженном крайнем ряду болтов определяют по
моменту М в обычном предположении жесткого поворота всего соединения относительно
311
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
оси противоположного крайнего ряда болтов, фланец рассчитывают на изгиб. Из рассмотре-
ния возможных схем предельного равновесия изгибаемого фланца требуемая его толщина
приближенно равна 1,1 4b0 M , но не менее b0/6, где b – ширина фланца; b0 –
3 2b hст hст Ry
размер между вертикальными рисками болтов.
При развитии фланца за пределы высоты балки с подкрепляющим ребром (рис. 12.67, а)
и установке дополнительного горизонтального ряда болтов на расстоянии b0/2 от грани балки
значение , вычисленное по формуле, можно уменьшить в 1 4b0 hст раз.
В узле б болтовое соединение стенки балки с вертикальным ребром рассчитывают на
силу Q и часть опорного момента, передающуюся стенкой на ребро и равную MJр/Jб, где Jб –
момент инерции всего сечения балки; Jр ст hр3 – момент инерции части сечения стенки вы-
12
сотой hр. Само ребро и швы его соединения с колонной следует проверить на силу Q и боль-
ший из двух моментов: M p Qe; M p M Jp Jб Q e 2 , где второе слагаемое соответст-
вует расчетной схеме ребра, показанной в нижней части рис. 12.67, б. Болты, соединяющие
отрезки тавров с балкой и колонной, рассчитывают (с небольшим запасом) на пару сил
S = M/h. Профиль тавра подбирают по двум условиям: требуемую толщину его стенки – по
площади, необходимой для передачи усилия S, требуемую толщину полки определяют рас-
четом на изгиб балочной защемленной пластинки пролетом b1 и принимают не менее b1/6.
Усилия для расчета прикреплений в – е определяют аналогично, при этом в узлах д, е
соединение консольных столиков с колонной проверяется на совместное действие опорного
давления балки Q, приложенного с эксцентриситетом b (с некоторым запасом), и усилия S.
В узле ж выносной стык балки рассчитывают по общепринятым правилам, а соединение
консоли с колонной – как сварной стык на совместное действие Q и М.
В рассмотренных узлах при различных опорных моментах справа и слева от узла
(М2 > М1), особенно при кососимметричной схеме их приложения (рис. 12.70), в стенке ко-
лонны возникают значительные касательные напряжения. Поэтому необходимо проверить
прочность стенки:
S2 S1 Q с Rs ; прив 2 32 с Ry ,
ст hст
где S2 = M2/h, S1 = M1/h; Q – поперечная сила в колонне; – краевое нормальное напряжение
в стенке.
Если хотя бы одна из проверок не выполняется, следует увеличить толщину стенки или
применить местное ее усиление в виде утолщенной вставки, выведенной за пределы узла на
100–150 мм, или поставить дополнительное диагональное ребро жесткости.
В двутавровых колоннах из достаточно толстых листов можно отказаться от попереч-
ных ребер жесткости в узле, что снижает трудоемкость изготовления и упрощает размеще-
ние инженерных коммуникаций в пределах габарита сечения колонны. В этом случае стенка
должна удовлетворять условиям прочности с учетом местных напряжений м (рис. 12.70, б):
м S2 c Ry ; z п 5h1;
ст z
прив 2 м2 м 32 Ry c ,
312
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
где и м имеют разные знаки (сжатие, растяжение), а по условиям местной устойчивости
стенки в сжатой зоне должно быть
hст ст 30 210 Ry ,
где Ry – расчетное сопротивление, МПа.
Кроме того, необходимо проверить прочность стыкового шва в соединении полки бал-
ки (или горизонтальной накладки) с колонной, учитывая снижение его расчетной длины до
значения Z ввиду податливости полки колонны:
w S2 c Rwy ,
п z
где z ст 5h1 (рис. 12.70, б).
При этом толщина полки колонны из ее расчета ни изгиб методом предельного равно-
весия (без учета условий совместности деформаций) должна удовлетворять соотношению
п 0, 4 S2 , где Ry – расчетное сопротивление материала полки.
Ry
При монтаже балок с рассмотренными прикреплениями нижние элементы (тавры, рыб-
ки, накладки) можно использовать как монтажные столики. Монтажные зазоры а0, особенно
в узлах по рис. 12.67, д, е, должны обеспечивать беспрепятственную установку балок.
На рис. 12.68 приведены примеры жестких прикреплений балок к колоннам на монтаж-
ной сварке. Такие прикрепления по сравнению с болтовыми более трудоемки на монтаже, тре-
буют строгого соблюдения начальных зазоров в швах, полного и высококачественного провара
швов, особенно стыковых, работающих на растяжение. Кроме того, трудности организационно-
го и технического обеспечения монтажной сварки могут сказаться на темпах монтажа.
аб в
Рис. 12.68. Жесткое прикрепление балки к колонне на монтажной сварке:
а – в – варианты узлов; 1 – монтажный сварной шов; 2 – заводской сварной шов; 3 – подкос из листа
313
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
Прикрепление по рис. 12.68, а, имеет минимальное число сварных швов и дополни-
тельных деталей, но предъявляет повышенные требования к точности изготовления и мон-
тажа конструкций. Поэтому такое решение применяется редко.
Гибкое прикрепление балок к колоннам (рис. 12.69), характерное для рамно-связевых
систем, может быть образовано из свободного прикрепления (см. рис. 12.66, а) с использованием
более жестких соединений – высокопрочных болтов и монтажной сварки, а также из жесткого
прикрепления (см. рис. 12.67, а, в) с заменой соединений на более гибкие – фланцы уменьшен-
ной толщины, гибкие уголки, тонкие горизонтальные накладки. Последнее решение часто при-
меняется в рамно-связевых железобетонных или смешанных каркасах. Для элементов гибких
прикреплений допускается, как правило, работа в упругопластической стадии, поэтому их сле-
дует выполнять из сталей классов С245–С285 с четко выраженной площадкой текучести.
а бв г
д
Рис. 12.69. Гибкое (полужесткое) прикрепление балки
к колонне:
а – д – варианты узлов; 1 – монтажный столик; 2 – мон-
тажный сварной шов; 3 – заводской сварной шов; 4 – об-
работать (фрезеровать, строгать)
Узлы а и б на рис. 12.69 достаточно надежны при статической нагрузке и обеспечивают
приемлемую податливость вследствие деформаций вертикального ребра и стенки. Податли-
вость узлов и из сопротивляемость повторным нагрузкам повышаются при замене верти-
кального ребра парными уголками, соединяемыми с колонной болтами или вертикальными
сварными швами по перу уголков; характер деформации такого прикрепления в растянутой
зоне балки показан в нижней части рис. 12.69, б. Достаточно хорошими свойствами облада-
ют и узлы в – д.
314
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
аб
Рис. 12.70. К расчету рамного узла:
а – с поперечными ребрами жесткости; б – без ребер; 1 – стык в месте утолщения стенки; 2 – сжатая зона стен-
ки; 3 – характер фактической эпюры напряжений в сварном шве
Для расчета гибкого прикрепления нужно знать предельный пластический момент Мпл,
характеризующий несущую способность узла. Эта величина зависит от многих трудно учи-
тываемых факторов (сложные условия деформирования фланцев, гибких уголков и других
деталей, неопределенность предела текучести стали), поэтому ее оценивают приближенно,
с упрощенными предпосылками. Рекомендации по расчету гибких (полужестких) узлов кре-
пления балок к колонне можно найти в работе [20].
На рис. 12.71 показаны возможные решения свободного прикрепления балок к железо-
бетонным диафрагмам и стволам жесткости. Для передачи усилий с балки на бетон исполь-
зуются закладные изделия в виде ребер, столиков, плоских листов, заанкеренных с помощью
уголков, болтов или арматурных стержней. Если по условиям монтажа (например, методом
подъема перекрытий) диафрагма или ствол не должны иметь выступающих деталей, то ис-
пользуется решение по схемам рис. 12.71, в, предусматривающее возможность последующе-
го соединения деталей узла с закладным листом болтами или монтажной сваркой. Поскольку
железобетонные диафрагмы и стволы возводятся с менее жесткими допусками, чем стальные
конструкции, в узлах прикрепления следует использовать овальные отверстия, монтажные
прокладки, допускающие подвижку балок перпендикулярно и параллельно поверхности
диафрагмы (стенки ствола) для приведения их в проектное положение.
В многопролетных многоэтажных каркасах рамный узел сопряжения балок с колонна-
ми среднего ряда может иметь более сложное конструктивное решение (рис. 12.72).
В этом узле одновременно стыкуются колонны верхнего и нижнего этажей, а также че-
тыре примыкающих ригеля перекрытия. Монтажное соединение колонн и ригелей (балок)
осуществляется высокопрочными болтами фланцевого сопряжения с помощью мощной
вставки 3, установленной между верхней и нижней колонной.
В каркасно-ствольной системе (см. рис. 12.23 и 12.59) используются вантовые подвески
и оттяжки. С их помощью к центральному стволу могут подвешиваться как стеновые панели,
так и целые этажи. Пример конструктивного решения и узлы сопряжения элементов ствола
315
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
жесткости с оттяжками и подвесками показаны на рис. 12.73. К верхнему ригелю рамы кар-
каса 1 с помощью опорных анкерных устройств крепится оттяжка 2 (рис. 12.73, узел А). Дру-
гой конец этой оттяжки крепится к консольному ригелю перекрытия 4 (узел Б). Здесь же ус-
танавливается вертикальная подвеска 3. Виды подвесок показаны на рис. 12.74. Они изготав-
ливаются из высокопрочной стали с пределом текучести 600–800 МПа. Стержни в узлах
крепят с помощью гаек и контргаек.
а бв г д
Рис. 12.71. Свободное прикрепление балок к железобетонным диафрагмам и стволам жесткости:
а – д – варианты узлов; 1 – анкер; 2 – глухая гайка, приваренная к листу; 3 – гнездо (забетонировать); 4 – опор-
ная плитка (выверить и подлить раствором); 5 анкерный болт
Рис. 12.72. Рамный узел крепления балок к колонне коробчатого сечения со вставкой:
1 – колонна; 2 – балка; 3 – вставка; 4 – болт; 5 – фланец
316
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
аб
Рис. 12.73. Узлы сопряжения элементов ствола жесткости с вантовыми подвесками и оттяжками:
1 – верхний ригель рамы; 2 – оттяжка; 3 – подвеска; 4 – ригель перекрытия
а бв
г де ж
Рис. 12.74. Виды подвесок:
а – круглая сталь; б – канат закрытого типа; в – канат в трубе с цементным раствором; г – листовая сталь; д –
пакет из листовой стали; е – двутавр; ж – спаренные швеллеры
Оболочковая конструктивная форма каркасов высотных зданий представляет собой
пространственно-стержневую структуру (см. рис. 12.14–12.19). Элементами ее являются
прокатные или сварные составные стержни различного профиля сечения (двутавры, прямо-
угольные и круглые трубы и т. п.). Фрагмент варианта структурной композиции приведен
на рис. 12.75. Узел сопряжения стержней из круглых труб с помощью болтовых фланцевых
соединений показан на рис. 12.76.
317
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
Рис. 12.75. Фрагмент структурной оболочки Рис. 12.76. Узел сопряжения стержней из круглых труб
Конструктивное решение узлов оболочковых каркасов такое же, как и любых однопо-
ясных пространственно-стержневых систем (складок, оболочек, куполов). Варианты таких
конструктивных решений приведены на рис. 12.77–12.79.
В сетчатых оболочках следует применять такие решения узловых соединений, которые
обеспечивают возможность их использования даже при отклонении размеров элементов на
определенную величину. Этим требованиям удовлетворяет узел типа SDC (рис. 12.77).
Рис. 12.77. Узловое соединение стержней из труб типа SDC
Узловой элемент, состоящий из двух половин, имеет патрубки, внутрь которых свобод-
но вкладываются концы стержней. Тарельчатые элементы стягиваются болтом, а трубы
стержней привариваются к торцам тарельчатого элемента.
Узловое соединение типа «Цейсс» (рис. 12.78) обеспечивает соединение различного
числа стержней независимо от их взаимного расположения, но оно требует высокой точно-
сти изготовления элементов.
318
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
При использовании в оболочковой конструктив-
ной форме мощного сечения (двутавры, фермы) обра-
зуется перекрестно-стержневая пространственная сис-
тема (рис. 12.79). Стык перекрестных элементов пере-
крывается горизонтальными листовыми фасонками.
Они крепятся монтажными болтами и рабочими свар-
ными швами к поясам балок или ферм. Возможно ис-
пользование высокопрочных болтов.
В настоящее время накоплены сотни запатенто-
ванных узловых решений пространственно-стержневых
систем. Расчет их сводится к расчету сварных швов или
болтовых соединений. При этом следует помнить, что
учет одновременной совместной работы сварки и бол-
тов в соединении допускать нельзя, т. к. податливость
сварного шва и болтового соединения различна.
В многоэтажных и высотных зданиях чаще всего
используются навесные стены из металла или легкого
бетона. Они кратко описаны в разд. 2 и подразд. 12.3.
Узлы крепления навесных наружных стен к несу-
щим конструкциям здания должны обеспечивать сво-
бодные деформации стен при температурно-влажност- Рис. 12.78. Узел системы «Цейсс»
ных воздействиях. Крепление их следует выполнять
преимущественно на резьбовых соединениях. Согласно п. 8.4.5 [55] при расчете прочности уз-
лов коэффициент надежности по нагрузке следует принимать f = 2,0.
б
а
Рис. 12.79. Узлы сопряжения в перекрестно-стержневой системе:
а – перекрестных балок; б – то же, ферм; 1 – верхний пояс; 2 – стыковая накладка; 3 – отверстия под болты
Конструкции окон и витражей должны рассчитываться по прочности и деформативно-
сти на действие вертикальных и ветровых нагрузок, а их крепления к несущим конструкци-
319
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
ям – на ветровые нагрузки. Значение ветровой нагрузки принимается по уровню верхнего
этажа. Конструкция крепления элементов витражей должна обеспечивать их свободные де-
формации при температурных воздействиях.
При строительстве в сейсмических условиях к конструкциям стенового ограждения
предъявляются дополнительные требования. Высота самонесущих стен не должна превы-
шать 18, 16 и 9 м при сейсмичности площадки соответственно 7, 8 и 9 баллов. При этом шаг
стоек фахверка не должен превышать 6 м.
Самонесущие стены должны иметь гибкие связи с каркасом, не препятствующие сме-
щениям каркаса вдоль стен. Между поверхностью стен и колонн каркаса должен предусмат-
риваться зазор не менее 20 мм. В местах пересечения торцевых и поперечных стен с про-
дольными стенами должны устраиваться антисейсмические швы на всю высоту стен.
Крепления стен к каркасу должны быть проверены расчетом на местную сейсмическую
нагрузку в направлении, перпендикулярном плоскости стены. Помимо горизонтальных
сейсмических сил самонесущие стены должны быть рассчитаны на одновременное действие
вертикальных сейсмических сил и собственного веса. Проектирование зданий для строитель-
ства в сейсмических районах должно выполняться в соответствии с СП 31-114–2004.
12.8. Обеспечение надежности многоэтажных и высотных зданий
Повышенная стоимость и капитальные затраты на строительство многоэтажных и вы-
сотных зданий требуют увеличения жизненного цикла таких сооружений (повышения пе-
риода времени его существования). Поэтому одно из основных требований, предъявляемых
к их проектированию и строительству, – долговечность.
ГОСТ Р 54257–2012 [7] регламентирует расчетные сроки службы зданий и сооружений:
для высотных зданий – более 100 лет; для зданий жилищно-гражданского и производствен-
ного строительства – не менее 50 лет. Такие же расчетные сроки установлены в табл. 2.2 EN
1990 [8]. ФЗ № 384 [56] и ГОСТ 54257–2012 требуют обеспечить достаточную надежность
зданий и сооружений – способность строительных объектов выполнять требуемые функции
в течение расчетного срока эксплуатации.
Надежность строительных конструкций и зданий следует обеспечивать на стадии раз-
работки общей концепции сооружения, при его проектировании, изготовлении, строительст-
ве и эксплуатации. В монографии Л.В. Енджиевскогоотмечается, что основными причинами
аварий и катастроф являются дефекты изготовления и монтажа, чаще всего возникающие
в доэксплуатационной стадии работы конструкции.
Для обеспечения надежности зданий при проектировании должны быть рассмотрены
следующие расчетные ситуации:
– установившаяся – ситуация, имеющая продолжительность, близкую к сроку службы
здания (стадия эксплуатации);
– переходная – (стадия изготовления, транспортировки, монтажа);
– аварийная – ситуация, соответствующая исключительным условиям работы сооруже-
ния (при особых воздействиях).
Надежность строительных конструкций должна обеспечиваться расчетом для каждой
расчетной ситуации.
При оценке эксплуатационного ресурса конструкций следует учитывать обобщенный
коэффициент надежности (степень запаса):
Енджиевский Л.В., Терешкова А.В. История аварий и катастроф. Красноярск: СФО, 2013. 438 с.
320
12. Каркасы многоэтажных и высотных зданий
K = m c f n,
т. е. произведение коэффициентов надежности по материалу, по нагрузке, по ответственно-
сти и по условиям работы.
В табл. 12.2 приведены значения n, регламентированные ГОСТ Р 54257–2012. Соглас-
но п. 9.5 [7] для зданий повышенного уровня ответственности должно предусматриваться
научное сопровождение при проектировании, изготовлении и монтаже конструкций, а также
их мониторинг при возведении и эксплуатации.
Изготовление, транспортировка и монтаж – это сложная технологическая система, в ко-
торой необходимо учитывать влияние температур, усилий обжатия, меняющихся прочност-
ных характеристик, воздействия технологического оборудования, точность изготовления
и монтажа. Все это приводит к дефектам, которые необходимо либо учитывать в процессе
проектирования, либо исключать при выполнении работ.
При строительстве многоэтажных и высотных зданий реализуются непрерывные методы
монтажа, которые зависят от комплекса технических, технологических и других мероприятий,
вариации которых безграничны. Для многоэтажных зданий чаще всего используются устоявшие-
ся методы: поэтажный монтаж, монтаж по осям, метод подъема этажей [32, 57]. Современные
прогрессивные методы возведения уникальных и высотных зданий описаны в работах [2, 24].
Условия нагружения и работы несущей системы многоэтажного здания при его возве-
дении и эксплуатации могут резко различаться.
При строительстве здания изменяется его форма, размеры, распределение масс и жест-
костей, взаимодействие элементов. Это влияет на значения и распределение атмосферных
нагрузок и воздействий, нагрузок от веса конструкций и частей здания; возникают нагрузки
от монтажных механизмов, складируемых изделий и материалов. Несущая система здания
меняется в процессе его возведения, поэтому для определения внутренних усилий, деформа-
ций и перемещений системы и проверки ее монтажной жизнеспособности следует рассмат-
ривать переменную во времени расчетную схему. Для расчетных значений кратковременных
нагрузок, учитываемых в этой стадии, нормы предусматривают снижение на 20 %, т. к. про-
должительность возведения намного меньше срока службы здания.
Расчетные схемы конструкций должны соответствовать принятому методу возведения
здания, последовательности монтажа элементов и включения их в работу системы, а также
учитывать возможность изменения во времени их жесткостных характеристик и условий
опирания. Следует проверить допустимость того или иного опережения крановой сборки по
отношению к бетонированию диафрагм, стволов жесткости, перекрытий и принять решение
по размещению монтажных связей. Важно выяснить характер взаимодействия несущих и ог-
раждающих конструкций в процессе возведения здания и, в частности, согласовать допуски
и проектные зазоры в стыках ограждающих элементов с ожидаемыми деформациями и пере-
мещениями несущей системы, обеспечивая возможность беспрепятственного монтажа стен,
витражей, остекления.
При выборе метода и усилий предварительного напряжения в несущих системах, пока-
занных на рис. 12.23, з, необходимо учитывать последовательность приложения постоянных
нагрузок при монтаже здания и проверять расчетом состояния системы, возникающие на
всех этапах ее работы (до, в процессе и после создания усилий предварительного напряже-
ния). Следует иметь в виду, что после предварительного напряжения такие системы ведут
себя как статически неопределимые не только при горизонтальных, но и при вертикальных
нагрузках; в частности, вертикальные нагрузки от веса перекрытий и стен распределяются
в месте их приложения между нижней и верхней частями предварительно-напряженных под-
весок и вант, вызывая в них соответственно сжимающие и растягивающие усилия. Это необ-
ходимо учитывать при выборе требуемого усилия предварительного напряжения, если оно
должно обеспечить невыключаемость подвесок и вант при возможных сжимающих усилиях.
321
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
Работа каркаса в стадии монтажа существенно отличается от работы в период эксплуа-
тации, когда замоноличенные и набравшие прочность диски перекрытий обеспечивают оди-
наковые смещения колонн и распределение усилий в элементах пропорционально их жестко-
стям. Незамоноличенные перекрытия не в состоянии обеспечить требуемые расчетные ха-
рактеристики.
В связи с деформативностью перекрытий в стадии монтажа происходит неравномерное
перераспределение усилий между элементами каркаса. Определение податливости перекры-
тий и перераспределение усилий между несущими конструкциями каркаса требуют специ-
ального расчета. Методика такого расчета изложена в 11.1 [29].
При проектировании многоэтажных и высотных зданий необходимо решить проблемы
огнезащиты и коррозионной стойкости металла. Основные рекомендации по решению этих
проблем изложены в разд. 14. В рекомендациях [16 и 55] содержатся дополнительные требо-
вания по повышению огнестойкости металлоконструкций для высотных зданий.
Металлические элементы конструкций должны быть защищены от коррозии согласно
СНиП 3.04.03–85, СНиП 2.03.11–85, ГОСТ 11024–84 и МГСН 2.08–01. Гибкие металлические
связи в наружных ограждениях необходимо выполнять из коррозионно-стойкой стали по
ГОСТ 5632–72* с расчетным сроком службы не менее проектного срока службы наружного
ограждения.
После теракта 11 сентября в Нью-Йоркском торговом центре в практике проектирова-
ния появилось понятие «конструктивная безопасность». Это способность конструкции пре-
дотвращать лавинообразное обрушение при выходе из строя ее отдельных элементов. Для
повышения конструктивной безопасности и надежности здания необходимо:
– использовать конструктивные формы и методы проектирования, при которых разру-
шение отдельных элементов не вызывает лавинообразного разрушения всей конструктивной
системы;
– использовать жесткие соединения между элементами при максимальном уменьшении
статической определимости;
– использовать методы контролируемого перераспределения усилий при внезапных
выключениях несущих элементов.
Высотные здания должны быть защищены от прогрессирующего обрушения в случае
локального разрушения несущих конструкций в результате возникновения чрезвычайных
ситуаций. Это должно обеспечиваться расчетом и конструктивными мероприятиями, кото-
рые частично изложены в подразд. 12.6, а более подробно в рекомендациях [16, 24, 35].
Основное средство защиты зданий от прогрессирующего обрушения – резервирование
прочности несущих элементов, обеспечение несущей способности колонн, ригелей, диа-
фрагм, дисков перекрытий и стыков конструкций, создание неразрезности и непрерывности
армирования конструкций, повышение пластических свойств связей между конструкциями,
включение в работу пространственной системы ненесущих элементов.
Особое значение для повышения надежности здания принадлежит связям. Связи, со-
единяющие перекрытия с колоннами, ригелями, диафрагмами и стенами, должны удержи-
вать перекрытие от падения (в случае его разрушения) на нижележащий этаж. Связи должны
рассчитываться на нормативный вес половины пролета перекрытия с расположенным на нем
полом и другими элементами.
Новые конструктивные формы высотных зданий оболочечного типа не только снижают
металлоемкость конструкций. Благодаря пространственной работе сетчатой системы они
способны перераспределять усилия внутри конструктивной формы при потере несущей спо-
собности одного или нескольких элементов.
322
13. СОСТАВ И ОБЩИЕ ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ
ЧЕРТЕЖЕЙ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ
Конструирование металлоконструкций ведется в две стадии: КМ (конструкции метал-
лические) и КМД (конструкции металлические деталировочные). КМ разрабатывает проект-
ная организация, КМД – завод-изготовитель.
В процессе КМ выбирается расчетная схема, выполняются статический и конструктив-
ный расчеты, общие чертежи металлоконструкций здания, его частей, узлы, техническая
спецификация металла по элементам, профилям и маркам стали.
КМД выполняются на основании КМ с учетом технологических возможностей завода-
изготовителя, условий транспортировки и монтажа.
13.1. Состав основного комплекта чертежей КМ
В состав этого комплекта входят:
– общие данные;
– сведения о нагрузках;
– чертежи общих видов конструкций;
– схемы расположения элементов (монтажные схемы);
– чертежи элементов;
– чертежи узлов;
– спецификации.
13.1.1. Общие данные
В общих данных приводятся:
– ведомость рабочих чертежей, а также ссылочных и прилагаемых документов;
– ссылка на принятые нормы проектирования;
– сведения о нагрузках и расчетные схемы конструкций;
– описание принятых монтажных и заводских соединений;
– указания по выполнению сварных швов, болтов и др.;
– требования к изготовлению и монтажу;
– антикоррозионные и противопожарные мероприятия.
Расчетные нагрузки могут быть представлены на отдельных листах или схемах распо-
ложения элементов.
13.1.2. Чертежи общих видов конструкций
Эти чертежи выполняются схематично. На них указывают:
– привязку элементов конструкций к разбивочным осям;
– основные габаритные размеры металлоконструкций;
– характерные отметки;
– сведения о грузоподъемных механизмах;
– размеры сечений для прикрепления элементов.
13.1.3. Схемы расположения элементов (монтажные схемы)
На этих схемах элементы металлоконструкций показывают в виде отрезков сплошной
утолщенной линии, прерывистой в местах стыков и сопряжений с соседними элементами.
Пример изображения монтажной схемы покрытия показан на рис. 13.1, примеры изображе-
ния разрезов приведены на рис. 13.2 и 13.3.
323
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
324
Рис. 13.1. Схема расположения элементов покрытия по нижним поясам ферм
13. Состав и общие правила оформления чертежей металлоконструкций Рис. 13.2. Разрез 1–1
325
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий Рис. 13.3. Разрезы 2–2, 3–3
326
13. Состав и общие правила оформления чертежей металлоконструкций
Элементы конструкций обозначают марками. Маркировка производится буквами. Ос-
новные элементы маркируются прописными буквами (Б – балки, ФС – фермы стропильные,
ФП – фермы подстропильные, К – колонны), второстепенные элементы – строчными буква-
ми русского алфавита.
На чертежах схем помещают «Ведомость элементов» по форме 1 (табл. 13.1).
Таблица 13.1
Форма 1 – Ведомость элементов
Указания по заполнению ведомости элементов:
– в графе «Марка элемента» указывают марку элемента по схеме расположения эле-
ментов или общему виду;
– в графе «Сечение» указывают:
«эскиз» – расположение деталей сечения элемента, позиции деталей сечения, необхо-
димые размеры;
«поз.» – порядковые номера позиций деталей;
«состав» – сокращенное обозначение профилей, составляющих сечение, состоящее из
условного обозначения профилей по ГОСТ 2.410 и номера или размеров профиля в соответ-
ствии со стандартами или техническими условиями на конкретный вид профилей;
– в графе «Усилие для прикрепления» указывают:
А – реакцию в опорном сечении элемента, кН;
N – продольное услилие в элементе, кН;
M – изгибающий момент в опорном сечении элемента, кНм;
– в графе «Наименование или марка металла» указывают наименование или марку ме-
талла для всего элемента, если все детали элемента выполнены из одного металла, и по пози-
циям – если наименование или марки металла деталей различны;
– в графе «Примечание» указывают другие необходимые данные об элементе.
Пример заполнения формы показан в табл. 13.2.
13.1.4. Чертежи элементов конструкций
Решетчатые элементы изображают схематично, сплошностенчатые – детально. В чер-
тежах указывают:
– геометрические размеры;
– опорные реакции;
– размеры сечений и усилия в элементах;
327
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий Таблица 13.2
– марку стали для каждого элемента;
– толщины опорных фасонок и положения укрупнительных стыков;
– отметки верха и низа элементов конструкции;
– размеры отдельных деталей;
– ссылки на узлы.
Ведомость элементов
А, N, M,
кН кН кНм
Примеры чертежей сквозного и сплошного элементов показаны на рис. 13.4 и 13.5.
Рис. 13.4. Пример чертежа сквозного элемента
328
13. Состав и общие правила оформления чертежей металлоконструкций
Рис. 13.5. Пример чертежа сплошного элемента
13.1.5. Чертежи узлов
Обозначение узлов должно соответствовать изображению на монтажных схемах. В них
указывают:
– привязки элементов к осям;
– необходимые отметки;
– усилия для расчета крепления элементов;
– толщины фасонок и размеры монтажных сварных швов;
– примыкающие элементы конструкций с обозначением их размеров, если чертежи
этих конструкций отсутствуют в данном проекте.
Примеры чертежей узлов показаны на рис. 13.6.
13.1.6. Спецификация металлопроката
Спецификация металлопроката (СМ) предназначается для заказа металлопроката. СМ
выполняют по форме 2 (табл. 13.3). Пример выполнения СМ показан в табл. 13.4.
СМ составляют на каждый вид элементов конструкции в соответствии с прейскурантом
оптовых цен. На основе СМ составляют свободную спецификацию металлопроката (СМС)
по той же форме. Спецификации записывают в ведомость прилагаемых документов. Допус-
кается СМ выполнять на отдельных листах в составе комплекта чертежей.
329
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий Рис. 13.6. Узел 1
330
13. Состав и общие правила оформления чертежей металлоконструкций
Таблица 13.3
Форма 2 – Спецификация металлопроката
Таблица 13.4
Пример выполнения спецификации металлопроката
331
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
13.2. Состав комплекта чертежей КМД
В состав комплекта входят:
– рабочие чертежи, предназначенные для производства строительно-монтажных работ
(основной комплект);
– рабочие чертежи, предназначенные для изготовления и монтажа МК;
– дополнительные чертежи.
13.2.1. Основной комплект рабочих чертежей
В основном комплекте рабочих чертежей приводятся:
– общие данные (заглавный лист);
– монтажные схемы с ведомостью отправочных элементов по форме 3 (табл. 13.5),
а также монтажных метизов по форме 4 (табл. 13.6);
– чертежи узлов сопряжения конструкций.
Таблица 13.5
Форма 3 – Ведомость отправочных элементов
Ведомость отправочных элементов схемы 8 15 10
min
Мар- Кол., Наименование Масса, кг Номер Прим.
ка шт. шт. общ. чертежа
эл-та
Итого: 40 15 20 35 25
Масса метизов, кг: 185
Всего по схеме:
35 15
Таблица 13.6
Форма 4 – Ведомость монтажных метизов
Ведомость монтажных метизов 8 15 10
min
Тип d болта, l болта, Толщина Кол., Масса, кг Прим.
болта мм мм пакета, шт. шт. общ.
мм
Всего: 20 20 25 20 20 20 35
25 185
332
13. Состав и общие правила оформления чертежей металлоконструкций
В заглавном листе приводятся общие примечания с указанием организации-
исполнителя проекта КМ, ведомость чертежей, сведения о материалах (металл, сварочные
и болтовые соединения), масса металла и метизов.
Монтажные схемы содержат изображение взаимного расположения в пространстве
всех отправочных элементов, размеры привязки и отметки, необходимые для монтажа, ук-
рупнительные стыки и все узлы, выполняемые монтажной сваркой.
Как и в чертежах КМ (рис. 13.1), отправочные элементы обозначают марками (Ф-1,
ПБ-1 и т. п.). К маркам зеркально симметричных элементов добавляют обозначения «Т» (так)
и «Н» (наоборот). Например: Ф2Т и зеркально симметричная ей марка фермы Ф2Н.
В примечаниях к монтажным схемам указывают ссылки на технический проект КМ,
способы монтажных соединений, виды монтажных метизов (болтов), типы электродов
и флюсов и др.
Чертежи узлов сопряжения конструкций помещают на свободном месте чертежа мон-
тажной схемы или на отдельном чертеже. На чертеже узлов проставляют необходимые для
монтажа размеры сварных швов, болтов, а также адрес узла (отметка и привязка к осям).
13.2.2. Рабочие чертежи для изготовления и монтажа
Рабочие чертежи содержат:
– изображение отправочных элементов со всеми размерами и указаниями, необходи-
мыми для изготовления каждой детали;
– спецификацию деталей по форме 5 (табл. 13.7);
– таблицу потребности отправочных марок по форме 6 (табл. 13.8);
– ведомость заводских сварных швов по форме 7 (табл. 13.9) общие примечания.
Симметричные элементы из прокатных профилей или сплошных листов изображают
полностью (рис. 13.7), решетчатые – до оси симметрии (рис. 13.8).
Решетчатые элементы сопровождают геометрической схемой и усилиями в стержнях
(рис. 13.9).
Геометрическую схемы длинномерных конструкций вычерчивают полностью, а отпра-
вочную марку, изображаемую на данном листе, выделяют утолщенными линиями. Остальная
часть – тонкие линии, где указывают её марку и номер чертежа, на котором она изображена.
Однотипные элементы, незначительно отличающиеся друг от друга, можно совмещать.
Рис. 13.7. Симметричные элементы из прокатных профилей
333
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
Рис. 13.8. Решетчатые элементы
Рис. 13.9. Геометрическая схема
В табл. 13.7–13.9 приведены формы таблиц рабочих чертежей.
Таблица 13.7
Форма 5 (располагается в правом верхнем углу чертежа)
Спецификация на отправочный элемент 8 15 10
min
Кол., шт. Сечение Длина, Масса, кг Марка или Прим.
Марка Поз.
мм шт. общ. элем. наим. стали
тн
15 10 10 10 30 20 15 15 15 25 20
185
334
13. Состав и общие правила оформления чертежей металлоконструкций
Таблица 13.8 Таблица 13.9
Форма 6 Форма 7
(располагаются над основной надписью)
Таблица заводских сварных
Требуется изготовить 8 15 10
min
Отпр. Кол., Масса, кг
марка шт. шт. общ. 8 15 10
min
швов на 1 марку в м
Отпр. Катет, вид шва
марка
20 20 20 25 20 20 20 20 20
85 100
13.2.3. Нанесение размеров на чертежах КМД
На чертежах КМД проставляют:
– монтажные размеры (М), определяющие положение конструкции в сооружении;
– увязочные размеры (У) – переход от монтажных к размерам изготовления;
– разметочные размеры (Р), необходимые для изготовления деталей;
– сборочные размеры (С), необходимые для сборки элементов (рис. 13.10).
В сварных балках указывают полную высоту опорной части. Этот размер с указанным
допуском обводят рамкой (рис. 13.11).
РС
1
РР 2
УС У
М Рис. 13.11. Пример нанесения размеров
Рис. 13.10. Пример нанесения размеров
Габаритные размеры деталей конструируют кратными 5 или 10 мм. Название изобра-
жений располагают над изображениями и подчеркивают сплошной тонкой линией, заголовки
таблиц – над таблицами и не подчеркивают.
13.3. Общие правила изображения чертежей
Линии на чертежах должны соответствовать ГОСТ 2.303–68*, размеры и надписи –
ГОСТ 2.307–2011.
Элементы конструкций изображаются, как правило, в рабочем положении. Располо-
жение проекций на чертежах: вид сверху – выше, вид снизу – ниже, виды справа и слева –
соответственно справа и слева основной проекции. При таком расположении названия их
не приводятся.
335
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
На разрезах показываются только те детали, которые находятся в секущей плоскости.
В примыкающей к ней невидимой плоскости они изображаются пунктиром. Дальнейшие
плоскости не изображаются. Воздух – непрозрачная плоскость.
Размерные линии привязываются к разбивочным осям, к кромкам или к осям примы-
кающих элементов. «Плавающие» размеры недопустимы.
Перед изображением узла это место на монтажной схеме обводят кружком с обозна-
чением на полке выносной линии порядкового номера узла. Если узел замаркирован на
другом листе, то это указывается в знаменателе. Примеры изображения узлов показаны на
рис. 13.12.
а бв
Рис. 13.12. Пример обозначения узлов
Геометрические схемы элементов, изображаемых на различных проекциях, выполня-
ются в одном масштабе. Для изображения длинных сплошных элементов (балки, колонны)
разрешается применять по длине элемента произвольный масштаб. При изображении сквоз-
ных элементов (ферм) масштаб осей и поперечных сечений может быть разным.
Формы, размеры и порядок заполнения основных надписей, размеры рамок на черте-
жах и в текстовых документах должны соответствовать ГОСТ 21.101–97. Нумерация листов
чертежей КМД должна применяться пообъектной. Каждому номеру объекта присваивается
порядковая нумерация листов, начиная с общих данных, затем схемы расположения конст-
рукций, узлов и рабочих чертежей элементов.
Размеры элемента следует привязывать к осям и рядам сооружения или к осям примы-
кающих элементов. При простановке размеров по высоте или ширине прокатных профилей
размерная цепочка не замыкается. Риски прокатных и гнутых уголков привязываются
к обушку. Ряд одинаковых размеров рекомендуется указывать в виде произведения (mn).
13.4. Условные обозначения на чертежах
Условные изображения профилей проката показаны в табл. 13.10. Условные изображе-
ния и обозначения швов сварных соединений на стадии КМД должны соответствовать тре-
бованиям ГОСТ 2.312–72*. Они представлены в табл. 13.11. Для стадии КМ эти изображения
рекомендуется выполнить в соответствии с ГОСТ 21.502–2007. Они приведены в табл. 13.12.
336
13. Состав и общие правила оформления чертежей металлоконструкций
Таблица 13.10
Условные обозначения на чертежах
Наименование Пример условного обозначения
Балка двутавровая 40
Швеллер 24
Нормальные двутавры – Б
Широкополочные двутавры – Ш 40Б1
Колонные двутавры – К 50Ш3
Нормальные тавры – БТ 40К2
Широкополочные тавры – ШТ Т15БТ1
Колонные тавры Т20ШТ1
Двутавры тонкостенные с узкими параллельными полками Т20КТ5
Швеллеры с уклоном внутренних граней полок Т22
Швеллеры с параллельными гранями полок
Швеллеры тонкостенные с узкими параллельными полками 20
Сталь угловая равнобокая 20П
Сталь угловая неравнобокая 20Т
Сталь квадратная
Сталь круглая 1008
Сталь листовая или полосовая 1251008
Прокат листовой горячекатаный
Трубы 20
Сталь просечно-вытяжная 20
Сталь рифленая ромбическая
Сталь рифленая чечевичная –40030
Гнутый швеллер равнобокий –88006000
Гнутый швеллер неравнобокий
Гнутый профиль угловой равнополочный 1144
Гнутый профиль угловой неравнополочный –ПВ608
Зетовый профиль равнополочный
Зетовый профиль неравнополочный –Риф. 8006
Профиль гнутый квадратный –ЧРиф. 6
Профиль гнутый прямоугольный
Профилированный лист типа Н Гн. 180503
Профилированный лист типа НС Гн. 18080503
Профилированный лист типа С
Гн. 1005
Отверстие круглое Гн. 110905
Гн. 40554
Гн. 6545404
Гн. 14040
Гн. 1401005
Н57-750-0,8
НС44-1000-0,7
С18-1000-0,8
Отверстие овальное a b b
a
Болт постоянный нормальной и повышенной точности
Болт постоянный высокопрочный
Линия симметрии
337
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
Обозначения сварных швов на чертежах марок КМД Таблица 13.11
Эскиз
Тип шва Условное обозначение
односторонний видимый
Угловой шов односторонний невидимый
Угловой шов двусторонний
Прерывистый шов угловой
стыковой
с ближней стороны
Стыковой без скоса с дальней стороны
кромок
с двух сторон
без подварки
с подваркой
Стыковой с V-образной с зачисткой с ближней стороны
разделкой кромки с зачисткой с дальней стороны
с зачисткой с двух сторон
без зачистки
Стыковой с Х-образной с зачисткой с ближней стороны
разделкой кромок с зачисткой с дальней стороны
с зачисткой с двух сторон
без зачистки
Стыковой и тавровый с зачисткой с ближней стороны
шов при V-образном
соединении с односто- с зачисткой с дальней стороны
ронним скосом кромок с зачисткой с двух сторон
Монтажные швы всех стыковые
видов соединений угловые
338
13. Состав и общие правила оформления чертежей металлоконструкций
Таблица 13.12
Обозначения сварных швов на чертежах КМ
Наименование Изображение шва Размер изображе-
ния, мм
Шов сварного соединения стыкового сплошной: заводского монтажного
с видимой стороны
с невидимой стороны
То же прерывистый:
с видимой стороны
с невидимой стороны
Шов сварного соединения углового, таврового или
внахлестку сплошной:
с видимой стороны
с невидимой стороны
То же прерывистый:
с видимой стороны
с невидимой стороны
Шов сварного соединения внахлестку контактный
точечный
–
Шов сварного соединения электрозаклепочный
внахлестку (с круглым отверстием)
–
339
14. ЗАЩИТА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ КАРКАСА ОТ КОРРОЗИИ И ОГНЯ
В процессе проектирования следует минимизировать важнейшие недостатки металли-
ческих конструкций: слабую коррозионную стойкость и огнестойкость. Степень агрессивно-
го воздействия сред, требования к материалам и элементам конструкций и способы защиты
от коррозии указаны в СНиП 2.03.11–85 «Защита строительных конструкций от коррозии».
Рекомендации по проектированию защиты от коррозии металлических конструкций подроб-
но изложены в [33]. В сжатой форме их можно найти в [18, гл. 1.5; 53, разд. IV т. 1] и другой
технической литературе.
Выбор конструктивной формы элементов каркаса следует производить с учетом агрес-
сивности производственного процесса и окружающей среды.
Металлические конструкции для зданий с агрессивными средами следует проектиро-
вать такой формы, которая исключала бы возможность скопления на поверхности элементов
конструкций атмосферной влаги, конденсата, пыли и жидких агрессивных сред и не затруд-
няла бы их удаление. Необходимо избегать образования застойных мест в виде пазух, карма-
нов, зазоров, узких щелей и т. п. Элементы и соединения должны иметь свободный доступ
для осмотров и восстановлений защитных покрытий.
Применение металлических конструкций с тавровыми сечениями из двух уголков, кре-
стовыми сечениями, двутавровыми сечениями из швеллеров или из гнутого профиля в зда-
ниях со среднеагрессивными и сильноагрессивными средами не допускается.
Стальные конструкции зданий для производств с агрессивными средами с элементами
из труб или из замкнутого прямоугольного профиля должны проектироваться со сплошными
швами и заваркой торцов. Применение элементов замкнутого сечения в слабоагрессивных
средах для конструкций на открытом воздухе допускается при условии, если обеспечен от-
вод воды с участков ее возможного скопления.
При контакте разнородных металлов может возникнуть электрохимическая коррозия.
Во избежание контактной коррозии в местах соединений стальных конструкций с оцинко-
ванными стальными или алюминиевыми листами необходимо изолировать один из соприка-
сающихся элементов. Изоляцией могут служить прокладки из неметаллических материалов
или лакокрасочные покрытия. Выполнение этого требования особенно важно в зданиях со
слабо- и среднеагрессивными средами.
Защиту стальных конструкций от коррозии производят с помощью металлических, ла-
кокрасочных, оксидных покрытий и их комбинированными способами. Рекомендуемые спо-
собы защиты представлены в табл. 14.1.
Таблица 14.1
Способы защиты от коррозии металлических конструкций
Конструкции
Среда несущие ограждающие полистовой сборки1
из углеродистой и низколегиро- из алюминия и его сплавов из оцинкованной стали с
ванной стали покрытием 1 класса
Неагрессив- Окрашенные лакокрасочными ма- Без защиты Без защиты со стороны по-
ная териалами группы I мещения при окрашивании
битумом или лако-
красочными материалами
групп II, III со стороны уте-
плителя
340
14. Защита металлоконструкций каркаса от коррозии и огня
Окончание табл. 14.1
Конструкции
Среда несущие ограждающие полистовой сборки1
из углеродистой и низколегиро- из алюминия и его сплавов из оцинкованной стали с
ванной стали покрытием 1 класса
а) горячее цинкование2 Без защиты Окрашивание лакокрасоч-
ными материалами групп II,
Слабоагрессивная б) газотермическое напыление III, нанесенными на линиях
окрашивания (допускается
цинка или алюминия окрашивание битумом со
стороны утеплителя); для
в) окрашивание лакокрасочными конструкций внутри поме-
щений допускается окраши-
материалами групп I, II, III вание через 8–10 лет после
монтажа
г) изоляционные покрытия (для
конструкций в грунтах)
Сильноагрессивная Среднеагрессивная а) горячее цинкование с после- а) электрохимическое анодиро- Не допускается к примене-
дующим окрашиванием материа- вание нию
лами групп II и III3 б) без защиты2
б) газотермическое напыление в) окрашивание лакокрасочны-
цинка или алюминия ми материалами группы IV
в) окрашивание лакокрасочными г) химическое оксидирование
материалами групп I, II, III с последующим окрашиванием
г) облицовка химически стойкими материалами групп II, III
неметаллическими материалами
а) термодиффузионное цинкова- а) электрохимическое анодиро- Не допускается к примене-
ние с последующим окрашивани- вание с последующим окраши- нию
ем материалами группы IV ванием материалами группы IV
б) газотермическое напыление б) окрашивание материалами
цинка или алюминия с после- группы IV с применением про-
дующим окрашиванием материа- текторной грунтовки ЭП-057
лами группы IV в) то же с предварительным хи-
в) облицовка химически стойкими мическим оксидированием
неметаллическими материалами
1 Только на конструкции по ГОСТ 14918–80*. Не распространяется на конструкции трехслойных металлических панелей по
ГОСТ 23486–79 и ГОСТ 24524–80.
2 Допускается горячее алюминирование (t = 50 мкм).
3 Допускается горячее алюминирование (t = 50 мкм) без дополнительного окрашивания.
Примечание. Полный перечень способов защиты с указанием толщин металлических покрытий см. в СНиП П-28–73*.
Марку защитных покрытий применяют по прил. 15 к СНиП 2.03.11–85. Сокращенный
перечень лакокрасочных материалов приведен в табл. 14.2.
Таблица 14.2
Сокращенный перечень лакокрасочных материалов для защиты металлических конструкций
от коррозии
Группа Тип связующего Марка материала Индекс по- Примечания
покрытия Пентафталевые крытия
Лаки ПФ-170 и ПФ-171 с 10=15% а, ан, п, т По грунтовкам ГФ-020,
I алюминиевой пудры ПФ-020; «т» – без грун-
а, ан, п
Эмали ПФ-115, ПФ-133, ПФ-1126 товки
(быстросохнущая) Наносятся по грунтовкам
I группы
341
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
Окончание табл. 14.2
Группа Тип связующего Марка материала Индекс по- Примечания
покрытия Глифталевые крытия
Уралкидные Грунтовки ГФ-020
II Алкидно- Эмаль УРФ-128 – Под эмали I группы
стирольные
III Масляные Грунтовка МС-0141 (быстросохну- а, ан, п По грунтовкам I группы
щая)
Масляно- – Под атмосферостойкие
битумные Краски масляные густотертые для эмали I и II групп
Фенольно- внутренних работ
формальдегид- п Небиостойкие – не реко-
То же для наружных работ а, ан, п мендуются для с/х зда-
ные
Полиакриловые Краска БТ-577 (бывш. АЛ-177) ний
По железному сурику,
Поливинил- Грунтовка ФЛ-03К грунтовкам ГФ-020, ПФ-
бутиральные Грунтовка ФЛ-03Ж
Хлоркаучуковые Грунтовки АК-069, АК-070 (бывш. 020
Эпоксидные
АГ-3а, АГ-10с) а, ан, п, т По грунтовкам ГФ-020,
Кремний- ПФ-020 или по металлу
органические Эмали АС-1171, АС-5122
Грунтовка ВЛ-023 – По эмали II и III групп
Эмаль ВЛ-515 То же для алюминия
Эмали КЧ-749 – и оцинкованной стали
Эмаль ЭП-773 – Для огрунтовывания
а, ан, п алюминия и оцинкован-
Эмали ЭП-140
Эмаль КО-198 ной стали
Эмаль КО-813 На линиях окраски оцин-
кованной стали по
ЭП-0200
– Для консервации «б, м» –
в, б, м по грунтовке ВЛ-02,
«в» – без грунтовки
а, п, х По грунтовкам ХС-010,
ХС-068, ХВ-050
хм, м, х, ан, п Наносится без грунтовки
а, п, х То же
а, ан, п, х, т Без грунтовки; до 300 °С
а, ан, п, м, т По грунтовке ГФ-020,
ФЛ-03К; как «м, т» до
500 °С наносится без
грунтовки
В процессе проектирования должны быть проработаны требования пожарной безопас-
ности, предусмотренные СНиП 21-01–97 [45]. Показателем сопротивляемости пожару явля-
ется предел огнестойкости. Предел огнестойкости – это время (в минутах) наступления нор-
мируемых признаков предельных состояний:
R – потери несущей способности;
E – потери целостности;
i – потери теплоизолирующей способности.
Оценка пожарной безопасности сводится к сравнению показателей требуемого предела
огнестойкости с фактическим. Последовательность расчета:
1. Определяют требуемую степень огнестойкости здания в зависимости от его назна-
чения, площади, этажности, категории по взрывопожарной опасности и других факторов.
2. На основании требуемой степени огнестойкости здания определяют требуемые пре-
делы огнестойкости основных строительных конструкций.
342
14. Защита металлоконструкций каркаса от коррозии и огня
3. Исходя из назначенных в проекте геометрических характеристик конструктивных
элементов здания (толщина, размеры поперечного сечения и др.) устанавливают фактические
пределы огнестойкости конструкций.
4. Фактические пределы огнестойкости сравнивают с требуемыми пределами огнестой-
кости, после чего делают вывод о соответствии конструкций требованиям пожарной безо-
пасности. Если конструкции не удовлетворяют таким требованиям, то принимают меры по
их защите от огня с целью повышения фактического предела огнестойкости.
Требуемая степень огнестойкости устанавливается по ведомственным или отраслевым
нормам проектирования [42, 43]. Требуемый предел огнестойкости – по [45] или прилагае-
мой здесь табл. 14.3.
Таблица 14.3
Требуемые пределы огнестойкости основных строительных конструкций, мин
Степень Предел огнестойкости строительных конструкций, не менее
огнестойкости
Несущие элементы Наружные Перекрытия междуэтажные Покрытия
здания
здания стены (в т. ч. чердачные и над подвалами) бесчердачные
I
II R 120 RE 30 REi 60 RE 30
III
IV R 45 RE 15 REi 45 RE 15
R 15 RE 15 REi 15 RE 15
Не нормируется
Фактический предел огнестойкости конструкций устанавливают по Пособию или по
прилагаемой здесь табл. 14.4. В ней указаны и некоторые способы огнезащиты.
Таблица 14.4
Фактические пределы огнестойкости конструкций
Краткая характеристика конструкций Схема конструкции (сечение) Размеры, см Предел огне-
стойкости, мин
Стальные балки, прогоны, ригели и статиче- tred = 0,3
ски неопределимые фермы при опирании a= 0,5 7
плит и настилов по верхнему поясу, а также 1,0 9
колонны и стойки без огнезащиты с приве- 1,5 15
денной толщиной металла t*red 2,0 18
3,0 21
Стальные балки перекрытий при огнезащите 27
по сетке слоем бетона или штукатурки 1,0
2,0 45
а Сетка 3,0 90
150
Стальные конструкции с огнезащитой из те- tа а) 45
плоизоляционной штукатурки с заполните- а a = 2,5 60
лем из перлитового песка, вермикулита
и гранулированной ваты при толщине штука- 3,0 45
турки a и при минимальной толщине элемен- б) 60
та сечения t, мм: a = 2,0 150
а) 4,5–6,5
б) 6,6–10,0 2,5 45
5,5 30
Стальные конструкции с огнезащитой: 60
а) вспучивающимся покрытием ВПМ-2 при a = 0,4 90
толщине покрытия после высушивания 1,0 120
не менее 4 мм 2,0
б) покрытием по стали огнезащитным фос- 3,0
фатным 4,0
Пособие по определению пределов огнестойкости конструкций / ЦНИИСК им. Кучеренко. М.: Стойиздат, 1985. 56 с.
343
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
Окончание табл. 14.4
Краткая характеристика конструкций Схема конструкции (сечение) Размеры, см Предел огне-
стойкости, мин
Стальные колонны и стойки с огнезащитой: а a = 2,5
5,0 45
а) из штукатурки по сетке или из бетонных 120
плит a = 6,5 120
б) из сплошных керамических и силикатных
кирпича и камней a = 12,0 270
в) из пустотелых керамических и силикатных
кирпича и камней a = 3,0 60
г) из гипсовых плит 6,0 240
д) из керамзитовых плит 66
a = 4,0 90
5,0 120
7,0
* Приведенная толщина металла tred вычисляется по формуле tred = A/U, где A – площадь поперечного сечения, см2, U – обогре-
ваемый периметр сечения, см, определяемый без учета поверхностей, примыкающих к плитам, настилам перекрытий и стенам,
при условии, что предел огнестойкости этих конструкций не ниже предела огнестойкости обогреваемой конструкции. Для
ферм приведенная толщина металла устанавливается по наименьшему значению для всех нагруженных элементов.
Фактический предел огнестойкости таких ограждающих конструкций, как покрытия по
стальному профилированному настилу с утеплителем из минераловатных плит, стены из
стальных трехслойных панелей и монопанелей, составляет 15 мин.
Предел огнестойкости металлических конструкций может быть увеличен путем их ог-
незащиты.
В помещениях с неагрессивной и слабоагрессивной средами могут применяться вспу-
чивающиеся (ВПМ-2, ОВП-1 и др.) и невспучивающиеся (на основе фосфатных вяжущих)
огнезащитные покрытия.
Для помещений с агрессивной средой назначают следующие конструктивные решения
по огнезащите стальных конструкций: кирпичная и бетонная облицовки, цементно-песчаная
штукатурка, покрытия и штукатурки на основе асбеста, перлита, вермикулита, фосфатных
соединений. Толщина штукатурок и облицовок устанавливается в зависимости от требуемых
пределов огнестойкости конструкций (см. табл. 14.4).
Современные огнезащитные составы наносятся на защищаемую поверхность слоем
толщиной до 2 мм. Под воздействием высоких температур они увеличиваются в объеме до
70 раз и обладают огнезащитной эффективностью до 90 мин. Нанесение вспучивающихся
красок слоем более 2 мм нецелесообразно. В этом случае слой краски вспучивается неравно-
мерно, происходит снижение его прочности, и он может осыпаться.
В современном строительстве помимо огнезащитных составов реализуется автоматиче-
ская противопожарная защита, включающая:
– охранно-пожарную сигнализацию;
– автоматические системы пожаротушения (водяные, пенные, газовые, порошковые);
– автоматические системы противодымной защиты;
– автоматические системы оповещения и управления эвакуацией.
Варианты конструктивных решений по огнезащите стальных балок и колонн приведе-
ны на рис. 14.1 и 14.2.
В варианте 1 (рис. 14.1) железобетонная плита и слой пенобетона обеспечивают сте-
пень огнестойкости 30 мин. Обетонированная балка (вариант 2) значительно увеличивает
предел огнестойкости Re, который зависит от толщины бетонного слоя и вермикулитовой
штукатурки по инжнему поясу. В варианте 3 балки до установки покрыты бетонным слоем
40–60 мм по проволочной сетке. Он применяется при больших сериях однотипных балок.
344
14. Защита металлоконструкций каркаса от коррозии и огня
Рис. 14.1. Противопожарная защита балок перекрытия
Рис. 14.2. Огнезащита колонн путем обетонирования и оштукатуривания
Наиболее дешевым видом противопожарной защиты (вариант 4) является многослой-
ное напыление асбестоцементом или вермикулитовым раствором. При толщине слоя 25 мм
Re = 90 мин. Заполнение пазух балок кирпичом, оштукатуренным по проволочной сетке,
показано в варианте 5. Варианты 6–8 представляют покрытие балки вермикулитовой шту-
катуркой толщиной 25 мм по сетке, облицовку вермикулитовыми плитами и асбестовыми
плитами.
Аналогично решаются и пробемы огнезащиты колонн (рис 14.2).
345
15. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЕКТНОГО РЕШЕНИЯ
Технико-экономические показатели подразделяются на абсолютные и относительные.
Относительные показатели нивелируют постоянное изменение цен. Методы расчета техни-
ко-экономических показателей тоже делятся на две группы: калькуляционные и укрупнен-
ные (аналитические). Аналитические методы построены на эмпирических зависимостях
и показателях [15, 19, 52]. Они просты, но не в полной мере учитывают изменение рыночной
конъюнктуры. Калькуляционные методы требуют большой и глубокой переработки эконо-
мической информации с применением автоматизированных систем расчета [9].
Определяющим параметром в структуре стоимости является масса металлоконструк-
ций. Она выявляется в процессе подбора сечения элементов каркаса. На предварительной
стадии вариантного проектирования ее можно определить приближенно:
– при растяжении
m0 N L ;
Ry
– при сжатии
m0 N L ;
Ry
– при изгибе
m0 N L ;
Ry
– при внецентренном сжатии
m0 N L ,
e Ry
где N и M – продольная сила и изгибающий момент; L – длина элемента; γ – плотность ме-
талла; ρ – ядровое расстояние; е – эксцентриситет.
С учетом строительного коэффициента массы kстр, который определяет вспомогатель-
ные и второстепенные элементы конструкции,
m kстр m0 . (15.1)
Значения kстр для металлоконструкций каркаса приведены в табл. 15.1. Таблица 15.1
Строительный коэффициент массы конструкций kстр
Наименование Конструктивное решения kстр
конструкции
Стропильные фермы Из парных уголков пролетом: 18–24 м 1,25–1,30
24 м 1,30
Подстропильные фермы 30–36 м
1,20–1,22
Из гнутых замкнутых профилей и труб 1,07–1,10
Из парных уголков пролетом: 12 м 1,25
18 м 1,3
24 м 1,35
346
15. Технико-экономический анализ проектного решения
Окончание табл. 15.1
Наименование Конструктивное решения kстр
конструкции
Прогоны Сплошные 1,05
Колонны Сквозные 1,2
Подкрановые балки Сплошные постоянного сечения 1,3
Сплошные ступенчатые 1,5
Тормозные балки Сквозные ступенчатые крайнего ряда 1,7
Тормозные фермы То же среднего ряда 1,55
Связи
Сплошные пролетом: 6, 12, 18 м 1,2
24, 30 м 1,25
1,15
Сквозные пролетом: 18–30 м
1,2
Пролетом 6–18 м
1,35
Пролетом 6–24 м
1,05
Крестовые 1,15
Портальные 1,05
Распорки, тяжи
Согласно работам [15, 19] на стадии разработки вариантов КМ трудоемкость изготов-
ления и монтажа можно определить по формулам
Tи Aиm1b ; (15.2)
Tм Aмm1d , (15.3)
где m – см. (15.1); Аи, b, Ам, d – параметры, принимаемые по табл. 15.2.
Таблица 15.2
Параметры для определения затрат труда при изготовлении и монтаже конструкций
Конструкции Изготовление Монтаж
Фермы Аи b n m Ам d s v
Колонны: 23,0 0,41 0,340 0,35 21,5 0,68 0,669 0,13
сквозные 30,4 0,25 0,337 0,36 13,3 0,36 0,558 0,17
сплошные 19,5 0,10 0,318 0,37 10,6 0,36 0,558 0,17
Балки:
сварные 17,4 0,19 0,315 0,38 11,4 0,29 0,541 0,20
клепаные 22,9 0,14 0,416 0,28 11,4 0,29 1,000 0
Удобнее использовать удельные трудоемкости в чел.-ч на 1 т конструкции:
tи Aи ; (15.4)
mb
tм Aм . (15.5)
md
Тогда стоимость конструкции «в деле» будет иметь вид
Ск.д = G[(Сн.п + tи аи 7,15 + 12,05)kn + Cт + tм ам 3,52]kн.р kп.м, (15.6)
где Сн.п – стоимость набора проката для 1 т конструкций; аи, ам – тарифы средних разрядов
работы при изготовлении и монтаже; kп, kн.р, kп.м – коэффициенты, учитывающие прибыль
347
М.М. Копытов. Металлические конструкции каркасных зданий
завода-изготовителя, накладные расходы и прибыль монтажной организации; Ст – стоимость
транспортировки 1 т конструкций.
При увеличении прочности стали с расчетным сопротивлением Ry по сравнению с базо-
вым вариантом (Ryб = 21 кН/см2) следует ввести коэффициент
z = 0,0337Ry + 0,2773. (15.7)
Простейшие зависимости (15.1) – (15.7) позволяют приблизительно выполнить техни-
ко-экономический анализ проектного решения, используя существующие в конкретной си-
туации и времени цены и тарифы.
Другой простейший способ вариантного проектирования и технико-экономической
оценки проектного решения построен на использовании эмпирически полученных коэффи-
циентов [15, 52] при определении трудоемкости и стоимости строительных конструкций. Но
эти параметры привязаны к тарифам и ценам 1980 г. и требуют корректировки для примене-
ния к конкретной ситуации по времени.
Рассмотрим подробней этот способ, предложенный Я.М. Лихтарниковым. После ком-
поновки каркаса, расчета и подбора сечений определяются масса основных элементов, их
количество, трудоемкость изготовления и монтажа, стоимость и обобщенные показатели:
«стоимость в деле», приведенная стоимость и другие, дающие технико-экономическую
оценку проектного решения.
Трудоемкость изготовления [15] определяется по формуле
Tи kсер kи т Qосн nосн , (15.8)
где kсер – коэффициент серийности (табл. 15.3); kи – коэффициент повышения удельной тру-
доемкости изготовления при применении стали повышенной прочности (табл. 15.4); Qосн,
nосн – масса и количество основных (расчетных) деталей.
Таблица 15.3
Коэффициент серийности
Количество эле- 3 5 7 11 20 30 40 50 60
ментов в серии, шт. 1,7 1,3 1,15 1,0 0,9 0,88 0,85 0,82 0,8
kсер
Таблица 15.4
Коэффициент повышения удельной трудоемкости изготовления kи (к стали С245)
Конструкция Класс прочности стали
Фермы: С245 С275 С345 С390 С440
из уголков
из труб 1,09 1,13 1,23 1,30 1,40
1,08 1,15 1,26 1,33 1,47
Колонны:
решетчатые 1,12 1,19 1,29 1,37 1,48
сплошные 1,08 1,12 1,21 1,27 1,37
Балки: 1,09 1,13 1,24 1,32 1,44
сварные 1,05 1,08 1,21 1,18 1,26
клепаные
Если конструктивный элемент спроектирован из разных марок стали, kи определяется
из выражения
348
15. Технико-экономический анализ проектного решения
kи1 q1 kи2 q2
kи qi , (15.9)
где kи1, kи2 – коэффициенты для каждой марки стали (табл. 15.4); q1, q2 – масса деталей из ка-
ждой марки стали.
Строительный коэффициент трудоемкости изготовления определяется по формуле
(15.10)
т 1 kи
kстр 1 d ,
где kстр – строительный коэффициент массы конструкции (табл. 15.1); µ, β, d – коэффициенты
(табл. 15.5).
Таблица 15.5
Коэффициенты µ, β, d к формулам (15.7) и (15.9)
Конструкции µβd
Фермы: 1,5 1,49 2,6
из уголков 3,4 0,80 1,0
из труб 2,1 1,14 1,0
из открытых гнутых профилей 4,1 5,4 1,0
из гнуто-сварных замкнутых профилей
Подкрановые балки и сплошные надкрановые части сквозных колонн при сборке:
по разметке 4,0 0,85 4,5
в кондукторе 3,5 0,96 6,5
Подкрановые части сквозных колонн: 4,5 0,82 8
из листа
из листа и уголков 4,4 0,84 8
с одной ветвью из прокатного профиля
с двумя ветвями из прокатных профилей 3,4 1,07 12
1,6 2,22 24
Для конструктивного элемента из стали повышенной прочности
kл 1 ky 1 ; (15.11)
стр стр
m
m Qл , (15.12)
осн
Qy
осн
где kустр – строительный коэффициент для стали С245 (см. табл. 15.1); αm – коэффициент
снижения массы конструкции (табл. 15.6 или 15.1); Qлосн, Qуосн – масса основных деталей из
стали повышенной и обычной прочности С245.
Таблица 15.6
Коэффициент снижения массы αm
Сталь Фермы Фермы из труб Колонны для частей Подкрановые балки
из уголков низ решетчат. верх сплошн.
С245 1,0 1,0
С275 1,0 0,86 1,0 1,0 0,87
С345 0,93 0,8 0,83 0,89 0,81
С390 0,9 0,74 0,74 0,85 0,73
С440 0,86 0,71 0,67 0,8 0,68
0,83 0,62 0,78
349
The words you are searching are inside this book. To get more targeted content, please make full-text search by clicking here.
Копытов М.М. Металлические конструкции
Discover the best professional documents and content resources in AnyFlip Document Base.
Search